【光照】[PBR][环境光]实现方法解析

最新推荐文章于 2025-10-30 22:58:47 发布

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【从UnityURP开始探索游戏渲染】专栏-直达

环境光实现流程

环境光在基于物理的渲染(PBR)中主要通过以下流程实现：

‌环境贴图采样‌：获取周围环境的辐照度
‌漫反射计算‌：处理非金属材质的漫反射部分
‌镜面反射计算‌：处理金属和高光的反射部分
‌环境光遮蔽‌：考虑几何遮蔽和环境遮挡
‌最终混合‌：将环境光与其他光照成分结合

主要环境光实现模型

1. 球谐光照(Spherical Harmonics)

‌原理‌：

将环境光信息编码为球谐系数
使用低阶多项式近似环境光照

‌公式‌：

$L(θ,ϕ)≈\sum_{l=0}^{n\sum_{m=−l}}lc_l^mY_lm(θ,ϕ)$

‌特点‌：

内存占用小
计算效率高
适合动态场景

2. 预计算辐照度贴图(Precomputed Radiance Transfer)

‌原理‌：

预计算环境光对场景的影响
存储为立方体贴图或2D贴图

‌实现方式‌：

漫反射：预卷积的辐照度图
镜面反射：预过滤的反射探针

3. 屏幕空间反射(Screen Space Reflection)

‌原理‌：

直接在屏幕空间追踪光线
实时计算环境反射

‌特点‌：

无需预计算
消耗较大GPU资源
只能反射屏幕内可见内容

Unity URP的环境光实现方案

核心方案：反射探针 + 球谐光照

‌实现代码‌：

/* by 01130.hk - online tools website : 01130.hk/zh/txtreplace.html */
hlsl
// 环境光漫反射计算
half3 ambientDiffuse = SampleSH(normalWS) * surfaceData.albedo;

// 环境光镜面反射计算
half3 reflectVector = reflect(-viewDirectionWS, normalWS);
half3 ambientSpecular = GlossyEnvironmentReflection(
    reflectVector,
    positionWS,
    surfaceData.roughness,
    1.0
);

// 最终环境光
half3 ambient = ambientDiffuse * (1 - surfaceData.metallic) +
               ambientSpecular * surfaceData.metallic;

‌选择原因‌：

‌性能与质量平衡‌：
- 球谐光照提供高效的漫反射环境光
- 反射探针处理高质量的镜面反射
‌动态场景支持‌：
- 反射探针可实时更新
- 球谐系数可动态计算

‌移动端优化‌：

/* by 01130.hk - online tools website : 01130.hk/zh/txtreplace.html */
hlsl
// 移动端简化版
half3 ambient = SampleSH(normalWS) * surfaceData.albedo;
half3 specular = surfaceData.metallic * SAMPLE_TEXTURECUBE_LOD(
    _GlossyEnvironmentCube,
    sampler_GlossyEnvironmentCube,
    reflectVector,
    surfaceData.roughness * UNITY_SPECCUBE_LOD_STEPS
);

‌艺术家友好‌：
- 直观的反射探针放置
- 自动生成的球谐光照

关键实现细节

‌反射探针系统‌：
- 立方体贴图预过滤
- 多级mipmap存储不同粗糙度的反射
- 混合探针权重计算
‌球谐光照计算‌：
- 使用3阶球谐(9个系数)
- 场景光照烘焙为球谐系数
- 实时动态物体也能接收球谐光照

‌环境光遮蔽集成‌：

hlsl
ambient *= lerp(1.0, occlusion, _AmbientOcclusionParam.w);

‌性能分级处理‌：

hlsl
#if defined(_ENVIRONMENTREFLECTIONS_OFF)
    half3 ambientSpecular = 0;
#else
    // 完整反射计算
#endif

各模型性能对比

模型	内存占用	GPU消耗	动态支持	视觉质量
球谐光照	极低	极低	★★★★★	★★☆☆☆
反射探针	中-高	中	★★★☆☆	★★★★☆
SSR	低	高	★★★★☆	★★★★☆
URP混合方案	中	中	★★★★☆	★★★★☆

Unity URP的选择优势

‌分级渲染支持‌：

高端设备：完整反射探针+球谐
移动设备：简化版球谐光照

‌场景适应性‌：

室内场景：高密度反射探针
开放世界：球谐为主+关键区域探针

‌动态GI支持‌：

可与光照探针系统配合
支持实时环境光更新

‌扩展性强‌：

容易集成SSR等后期效果
支持自定义环境光遮蔽

Unity URP的环境光实现方案在保持实时性能的同时，通过精心设计的混合策略提供了足够高质量的全局光照效果，特别适合需要跨平台部署的项目。随着硬件发展，URP也在逐步引入更多实时全局光照技术，如Enlighten和GPU Lightmapper的集成，但核心的环境光处理架构仍保持这一基本设计理念。